La nuit, l’air de la canopée urbaine se rafraîchit fortement au niveau des sols de type agricoles, naturels et non bâtis, contrairement aux formes urbaines où la température reste très élevée. Cette différence de température de l’air entre le diurne et le nocturne définit les îlots de chaleur urbains nocturnes. Bien qu’ils soient très exacerbés dans les centres-villes des communes à forte densité, les îlots de chaleur urbains nocturnes se forment aussi, avec moins d’intensité, dans les centres-bourgs des communes à faible densité.
La température de surface est très élevée en journée quelle que soit la forme urbaine, ce qui participe aux surchauffes urbaines diurnes. Les fortes températures de surface sont également relevées sur les terres arables par absence de végétation. En effet, les surfaces non végétales s’échauffent rapidement avec la production de chaleur sensible sans chaleur latente. La chaleur emmagasinée durant la journée par les surfaces des formes urbaines (bâti, asphalte...) est ensuite restituée progressivement durant la nuit via le double effet de la conduction et de la convection, créant les îlots de chaleur urbains nocturnes. Les terres arables ne participent pas à la création d’un îlot de chaleur nocturne parce qu’elles ont une capacité de refroidissement rapide. Les autres occupations du sol végétales et aquatiques s’échauffent beaucoup moins lors de la journée grâce à l'abaissement de la température de l'air lors de l'évapotranspiration (chaleur latente).
